李 德

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

隨著人類社會的迅速發(fā)展，對資源消費和依賴程度也在迅速增加，其中水資源短缺已經(jīng)成為亟待解決的全球性問題[1]。我國作為世界上人均水資源極為匱乏的國家，必須采取必要措施，加大水資源的優(yōu)化配置和保護力度，積極構(gòu)建節(jié)水型社會。從國內(nèi)的實際情況來看，不僅水資源嚴重短缺，同時水資源的浪費情況依舊嚴重[2]。其中，我國農(nóng)田灌溉渠道的水利用效率僅有0.6左右，水資源浪費情況十分嚴重。另外，對于我國北方寒區(qū)而言，凍脹破壞十分普遍，不僅影響到渠道的使用壽命，也會造成比較顯著的滲漏問題[3]。為了解決這一問題，北方寒區(qū)灌溉渠道紛紛采用增設(shè)保溫板的方式控制渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形，并取得了良好的工程效果[4]。但是，目前所使用的聚苯乙烯保溫板強度較低，在運輸和鋪設(shè)過程中難免會出現(xiàn)一些工程缺陷，從而影響其熱力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致保溫功能受到影響?；诖?，此次研究通過室內(nèi)模型試驗的方式，探討保溫板施工缺陷對渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能的影響，以便為相關(guān)工程建設(shè)和后期的維護管理提供支持。

1 室內(nèi)模型試驗設(shè)計

1.1 模型基本參數(shù)

文章以遼寧省某灌區(qū)渠系改造工程為背景，以工程現(xiàn)場聚苯乙烯保溫板層工程為依托，進行室內(nèi)模型試驗，以探索施工中保溫板層存在的缺陷對襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能的影響。通過制作試驗?zāi)Ｐ?，模擬野外自然環(huán)境下的升溫和降溫過程，對模型的溫度場、凍脹量等進行監(jiān)測[5]。

試驗中渠基土取自工程現(xiàn)場，并按照SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》的相關(guān)要求對土樣進行試驗，獲得區(qū)基本的物理力學(xué)參數(shù)[6]。綜合考慮試驗段渠道的幾何尺寸以及模型試驗場地情況，確定模型試驗的幾何比尺為1∶5；結(jié)合工程所在地冬季的凍結(jié)特征、氣候情況以及室內(nèi)試驗可以實現(xiàn)可控制的環(huán)境溫度，確定試驗的溫度比尺為1∶1，時間比尺為1∶45。根據(jù)工程特點和模型試驗箱的具體尺寸，研究中采用半斷面模擬的方式進行，模型試驗的設(shè)計坡比為1∶3，其具體的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)計表

1.2 試驗裝置和設(shè)備

此次試驗在低溫實驗室進行，模型試驗箱為鋼材焊接而合成的，5.5m×4.5m×2.0m的長方體形狀。其中，試驗箱的箱底主要由3層構(gòu)成，第一層為直徑2cm的鋼管彎曲而成；第二層為水工無紡布和厚度為5cm的砂墊層；第三層為底板補水層，主要由彎曲的塑料管制成，其周圍鋪設(shè)粒徑為5cm左右的卵石，上面覆蓋水工無紡布，其主要功能是實現(xiàn)對單向凍結(jié)和雙向融化的模擬。

根據(jù)試驗的具體需求，選擇PT100型溫度傳感器、土壓力傳感器以及位移傳感器，試驗中獲取的數(shù)據(jù)利用DT515數(shù)據(jù)采集儀進行實時采集和整理。

1.3 試驗?zāi)Ｐ偷闹谱?/h3>

在試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中，其總體順序是在試驗箱的內(nèi)側(cè)壁鋪設(shè)水工布補水帶，然后分層填土并壓實，埋設(shè)溫度傳感器，溫度傳感器埋設(shè)在距離襯砌表面0.5m處[7]。再鋪設(shè)保溫板和混凝土襯砌板，安裝位移傳感器。溫度傳感器和位移傳感器共15組，沿著渠坡等距設(shè)置，相鄰兩組的坡面間隔為22cm，自下而上分別編號為1～15。

在土方填筑過程中，其壓實度標準為最大干密度的95%。針對前期土樣的測定數(shù)據(jù)，其密度為1.46g/cm3。土方填筑須分層進行，每層厚度為5cm左右，每層填筑完畢后均需抽樣測定干密度，保證土層的壓實度。

試驗中的溫度傳感器采用邊填土邊埋設(shè)的方式進行，隨著填土施工的進行而逐層布設(shè)，位移傳感器則在模型制作成型后安裝在襯砌混凝土板的表面，并在合適的位置安裝支架對傳感器進行固定。

模型飽水采用水箱補水和灌溉補水相結(jié)合的方式進行[8]。具體而言，在模型制作完成之后，將試驗土體進水飽水15d，待土體中的氣體全部排出之后，再排空模型渠道中的多余明水，然后進行試驗。

1.4 試驗方法

此次模擬試驗由降溫階段和恒低溫階段構(gòu)成。其中，降溫階段的試驗時間為0～36h，試驗歷時36h，環(huán)境溫度為2.0～-15℃；恒低溫階段的試驗時間為36～77.4h，試驗歷時41.4h，環(huán)境溫度保持在-15℃。試驗開始之后應(yīng)該保證連續(xù)無間斷進行，在降溫之前應(yīng)該對設(shè)備進行檢查，保證其正常工作。試驗完成之后對獲取的試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 缺陷位置

保溫板缺陷的位置會對渠道的凍脹量產(chǎn)生比較明顯的影響。試驗研究中保持缺陷大小為2cm不變，設(shè)計缺陷的位置分別在渠底到渠坡段垂直高度為0.2、0.4、0.6、0.8m 4個不同的部位進行試驗，并以沒有缺陷工況作為對比工況。根據(jù)試驗結(jié)果整理出渠坡不同部位的溫度和襯砌混凝土表面凍脹量數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。由表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，當襯砌保溫板存在缺陷時，缺陷所在部位的基土溫度會明顯降低，并向兩側(cè)逐漸升高，呈現(xiàn)出比較明顯的對稱分布狀態(tài)，缺陷對渠基土溫度的影響范圍在0.5～0.9m；從凍脹量來看，缺陷周邊區(qū)域的襯砌結(jié)構(gòu)存在明顯的凍脹量增大情況，且呈對稱分布狀態(tài)，影響范圍也為0.5～0.9m，這與溫度的變化與分布特征較為一致。從不同位置的試驗結(jié)果對比來看，當缺陷位于0.4m部位時，缺陷部位的基土最低溫度最小，而對應(yīng)的凍脹量最大。由此可見，當保溫板缺陷位于渠坡靠近渠底1/3部位時，其對凍脹量的影響最大。

表2 不同缺陷位置的溫度和凍脹量試驗數(shù)據(jù)

2.2 缺陷大小

保溫板缺陷的大小也會對渠道的凍脹量產(chǎn)生比較明顯的影響。試驗研究中保持缺陷的位置在渠底到渠坡段垂直高度為0.4m不變，設(shè)置0.5、1、2、3、4cm 5種大小不同的缺陷進行試驗，整理出渠坡不同部位的溫度和襯砌混凝土表面凍脹量數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。由表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，在保溫板缺陷位置相同的情況下，缺陷的大小會對渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹產(chǎn)生顯著的影響，缺陷越大，造成的凍脹越嚴重。具體來看，當缺陷小于2cm時，缺陷的增大并不會增加溫度和凍脹量的影響范圍，但是缺陷部位的最低溫度值有所增大，凍脹量也有所減??；當缺陷大于2cm時，其對溫度和凍脹量的影響范圍會明顯增大，缺陷部位的最低溫度會顯著下降，凍脹量也會明顯增加。例如，當缺陷大小為4cm時，其影響范圍會增大1.5m左右，而缺陷部位的最低溫度會由2cm時的-5.5℃下降到-7.3℃，凍脹量也由5.2mm增大到7.7mm。

表3 不同缺陷大小的溫度和凍脹量試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

此次研究主要探討了北方寒區(qū)襯砌保溫板施工缺陷對渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹的影響。結(jié)果顯示，缺陷的不同位置和大小對凍脹量存在一定的影響，當缺陷位于距離渠底1/3部位時的影響最大，缺陷大于10cm(按幾何比尺折算)時，對凍脹量的影響會迅速增大，需要采取修補措施。研究結(jié)果對寒區(qū)渠道保溫板設(shè)計施工以及后期維護具有重要的支撐作用，也可以為相關(guān)研究提供有益的借鑒。此次研究僅針對缺陷破損處完全貫穿的情況展開試驗，而工程實踐中大多數(shù)缺陷為厚度變小，在今后還需要在這方面進行進一步的研究和探索，以便獲得更為科學(xué)和全面的成果。